激光直接沉積修復1Cr15Ni4Mo3N鋼磁痕分析

周 標，秦仁耀，唐 斌，高 超，郭紹慶，李 能，張 強，黃 帥

(1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

1Cr15Ni4Mo3N鋼是半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，經淬火、冷處理和回火處理后，使其具有較高的強度、優(yōu)良的塑性和耐腐蝕性能，同時可在室溫至300 ℃處于長期穩(wěn)定狀態(tài)，目前主要用于制造航空承力構件，如起緊固作用的端軸頸、螺栓以及起落架接頭等[1-3]。然而這些1Cr15Ni4Mo3N鋼零件在長期服役后，表面易出現磨損、劃傷等局部區(qū)域的小尺寸損傷，導致其結構功能被破壞，使得這些局部損傷的零件面臨報廢。為了避免材料浪費、縮短航空裝備的維護周期和降低成本，對失效零件的延壽修復和再制造正逐漸取代傳統(tǒng)換新。

激光直接沉積(Laser Direct Metal Deposition，LDMD)是一種新興的綠色制造和修復技術[4-7]，相比于其他熔焊修復方法，如鎢極氬弧焊[8-9]、激光焊[10-11]和電子束焊[12]等，該技術具有修復熱輸入量小、尺寸增量小、能夠實現修復層與基體的冶金結合等優(yōu)點，非常適合零件的小尺寸損傷修復，因此被用于1Cr15Ni4Mo3N鋼零件表面局部損傷修復。

對激光直接沉積修復的1Cr15Ni4Mo3N鋼零件進行磁粉檢測時，發(fā)現明顯的磁痕顯示，磁痕形貌主要呈規(guī)則且封閉的矩形輪廓。這類磁痕顯示對磁粉檢測的激光直接沉積修復零件質量評判造成嚴重影響。本研究通過對激光直接沉積修復的1Cr15Ni4Mo3N鋼進行磁粉檢測試驗，確定磁痕與激光直接沉積修復的關系，并通過對磁痕及其周圍區(qū)域的微觀組織分析，明確磁痕的形成原因，為1Cr15Ni4Mo3N鋼零件激光直接沉積修復過程中的質量評判和控制提供依據。

1 實驗材料及方法

實驗用的基材為100 mm×60 mm×8 mm的1Cr15Ni4Mo3N鋼試板，熱處理制度為：1 070 ℃×1 h(油淬)+-70 ℃×2 h(冷處理)+370 ℃×1 h(空冷)。用于激光直接沉積修復用的填充材料是與母材同成分的氣霧化球形粉末(具體成分見表1)，粒徑為50～106 μm，形貌見圖1。參照1Cr15Ni4Mo3N鋼零件表面磨損、劃傷等損傷去除后的待修復區(qū)形貌，在試板上設置2個尺寸均為30 mm×12 mm×0.5 mm的待修復區(qū)，其形貌見圖2a。采用同軸送粉的6 000 W光纖激光加工綜合系統(tǒng)在試板上進行沉積修復，填滿待修復區(qū)域，并留有1.0 mm的加工余量(圖2b)。參照1Cr15Ni4Mo3N鋼零件修復區(qū)機械加工方法，對試板上的其中1塊修復區(qū)進行同樣的恢復尺寸加工。同時，為確定磁粉檢測磁痕的位置及其形成原因，對另1塊修復區(qū)只進行局部區(qū)域的恢復尺寸加工，具體機械加工方式如圖3a所示。在磁粉檢測前，采用丙酮將修復區(qū)及其周圍表面擦洗干凈，然后采用接觸通電、濕磁粉連續(xù)法對機械加工后的試板進行磁粉檢測，磁化電流約為25 A。為確定激光直接沉積修復1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測磁痕的“缺陷形式”，按照圖3b所示位置采用線切割(即電火花切割)截取金相試樣，并依次進行細磨和拋光，腐蝕劑為4%(體積分數)的硝酸酒精，腐蝕時間為15～30 s。采用BX51M型光學顯微鏡(OM)對其微觀組織進行觀察和分析。

表1 1Cr15Ni4Mo3N鋼試板及其粉末的化學成分 (質量分數 /%)Table 1 Chemical compositions of 1Cr15Ni4Mo3N steel plate and its powder (mass fraction /%)

圖1 1Cr15Ni4Mo3N鋼粉末顆粒形貌Fig.1 Morphology of 1Cr15Ni4Mo3N steel powder particles

2 結果與分析

2.1 磁粉檢測與分析

圖4是激光直接沉積修復1Cr15Ni4Mo3N鋼試板的磁粉檢測結果，可以發(fā)現，在2個明顯的矩形框有磁痕顯示。通過對比發(fā)現，磁痕顯示的位置和形貌與激光直接沉積修復區(qū)的外輪廓是完全重合，但1Cr15Ni4Mo3N鋼基體其他區(qū)域以及修復區(qū)內部無磁痕。顯然，激光直接沉積修復工藝是導致磁痕顯示的根源。根據磁粉檢測原理可知，磁痕主要是因為不連續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變，產生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉而形成，能夠顯示不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴重程度[13-14]。對于激光焊、氬弧焊等熔化焊的焊縫或修復區(qū)磁粉探傷，其磁痕顯示分為缺陷磁痕顯示、偽磁痕顯示和假磁痕顯示。假磁痕是由于工件表面的結構形狀或其他油污引起，但磁痕處未產生漏磁場；而缺陷磁痕和偽磁痕則是由漏磁場的產生而形成。在焊縫或熔化修復區(qū)的缺陷磁痕顯示主要有裂紋、咬邊、未熔合等缺陷，偽磁痕顯示主要是2種材質交界處、劃傷、刀痕等[14]。本研究中1Cr15Ni4Mo3N鋼試板上的激光修復區(qū)在磁粉檢測前，已加工平整且擦洗干凈，因此，可排除圖4顯示的磁痕是假磁痕的可能性。顯然，該磁痕是由漏磁場的存在而形成。

2.2 微觀組織與磁痕形成原因分析

為確定激光直接沉積修復1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測磁痕的形成原因，對磁痕顯示部位的多個位置進行微觀形貌與組織觀察。圖5所示的是按照圖3b截取的1～7號金相試樣的顯微照片，發(fā)現激光直接沉積修復區(qū)與1Cr15Ni4Mo3N鋼基體具有很好的冶金結合，而且修復區(qū)與基體的界面處(即磁痕位置)呈現出完好的平滑過渡，既無裂紋、未熔合、咬邊以及夾渣等修復缺陷，也沒有劃傷、刀痕等加工損傷。因此，1Cr15Ni4Mo3N鋼激光直接沉積修復區(qū)四周邊界出現的磁痕也不是缺陷磁痕顯示。

通過對比磁痕顯示處兩側的微觀形貌，發(fā)現磁痕一側的基體組織與另一側的修復區(qū)組織存在顯著的不同。由此表明：激光直接沉積修復1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測出的規(guī)則矩形磁痕(圖4)極可能是修復區(qū)與基體的同材質異組織引起的漏磁場現象，總在兩種組織的交接處產生磁痕顯示，是一種不影響工件強度和使用性能的偽磁痕顯示。

圖6所示的是1Cr15Ni4Mo3N鋼母材及其激光直接沉積修復接頭的顯微組織，其中接頭是由修復區(qū)和熱影響區(qū)組成。雖然三者是同成分的沉淀硬化不銹鋼材料，但其組織形貌存在明顯的差異。熱影響區(qū)中雖然殘余奧氏體(灰白色相)長大和增多，但仍與母材組織相似，都是由回火馬氏

體(黑色相)和少量殘余奧氏體組成的雙相組織；而修復區(qū)的組織呈柱狀樹枝晶結構，主要是由奧氏體和少量馬氏體組成。根據文獻可知，面心立方結構的奧氏體磁導率極小，而具有體心立方結構的馬氏體相是鐵磁性相，磁導率較高[15-16]。因此，激光直接沉積修復1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測的矩形輪廓磁痕顯示，是因為修復區(qū)與基體中奧氏體含量存在明顯差異，導致兩者界面處的磁力線發(fā)生局部畸變，產生漏磁場，使得界面處吸附磁粉而形成。

圖6 1Cr15Ni4Mo3N鋼母材及其激光直接沉積修復接頭的顯微組織Fig.6 Microstructures of the 1Cr15Ni4Mo3N steel and repaired joint using LDMD

3 結論

1)在磁粉檢測激光直接沉積修復的1Cr15Ni4Mo3N鋼工件時，當磁痕顯示與修復區(qū)外輪廓完全重合時，該磁痕顯示是不影響修復強度和使用性能的偽磁痕顯示。

2)修復區(qū)與基體中奧氏體含量的差異，是在磁粉檢測激光直接沉積修復的1Cr15Ni4Mo3N鋼工件時出現與修復區(qū)外輪廓同形狀磁痕顯示的根本原因。